Dekarbonisierung von Fernwärmesystemen: strategische Ansätze, Wirksamkeit und CO₂-Bilanz – von der Lieferkette bis zur Infrastruktur

Abstract

District heating plays a central role in the European energy transition. However, its decarbonization is one of the most complex challenges of urban transformation. This dissertation develops an integrated framework that examines district heating systems along their entire value chain. It combines operational, structural, and organizational emissions in a consistent methodological approach. The aim is to comprehensively capture the mechanisms of emission reduction and understand how technical, infrastructural, and planning strategies can jointly contribute to climate neutrality. The starting point is a systematic analysis of existing decarbonization strategies based on the “Avoid–Shift–Improve” model. This model classifies measures according to avoidance, shift, and improvement and covers all relevant stages of the supply chain: from energy sources and conversion to energy management and heat distribution to demand-side and regulatory strategies. The methodology includes a harmonized evaluation of over one hundred studies from the district heating sector, comparative modeling of European district heating systems, and a detailed investigation of emissions from infrastructure and construction processes using Berlin as an example. The results show that emissions occur at all stages of the supply chain and that interventions at one point have an impact on other stages. The harmonized carbon footprint data show that systems based on renewable energies achieve intensities of between approximately −0.001 and 0.091 kg CO₂e per MJ. Fossil fuel systems, on the other hand, have values between 0.04 and 0.31 kg CO₂e per MJ. Combined heat and power reduces emissions by 16 to 70% compared to simple boiler configurations. Large electric heat pumps with a low-emission electricity mix reduce emissions by an average of around 64%. The integration of heat storage systems can reduce emissions in hybrid systems by around 50%. This makes it clear that the switch to renewable heat sources and systemic efficiency improvements have a substantial but not unlimited reduction effect and must always be considered in terms of their interactions with grid operation, demand, and infrastructure. The European comparative analysis also shows that the effectiveness of decarbonization measures depends heavily on the specific context. In countries with a largely decarbonized electricity mix, such as Sweden, large heat pumps achieve emission intensities of less than 0.00003 kg CO₂e per MJ and are among the most effective strategies. In countries with fossil fuel-based electricity generation, such as Poland, reducing heat losses and lowering heat demand lead to greater relative savings than additional electrification of heat supply. Across all contexts considered, it appears that increasing the share of low-carbon heat by one percentage point reduces emissions by an average of 0.0008 to 0.0013 kg CO₂e per MJ of heat supplied. The results of the model-based case studies show that successful decarbonization must be context-specific and gradual, rather than relying on universal “one-size-fits-all” solutions. It also becomes clear that technologies often favored by policymakers do not necessarily deliver the highest marginal mitigation contributions. On this basis, the “Building Infrastructure” study identifies decarbonization in the area of heat distribution as an additional strategy. A detailed carbon footprint analysis of Berlin's district heating network shows that the construction and maintenance of the pipeline infrastructure accounts for around 11% of total supply chain emissions. This corresponds to around 340 million kg CO₂ per year. Around 70% of these emissions are generated in civil engineering, particularly during excavation, transport, and the operation of construction machinery. Only a small proportion is attributable to the production of pipes and the restoration of surfaces. The choice of materials also proves to be an important lever: asphalt causes about twice as many emissions as natural stone. Through coordination of construction work by various utility companies, bundling of interventions in the road space, and optimized logistics, total emissions can be reduced by around 13%, which corresponds to an annual saving of around 43 million kg CO₂. These results underscore the significant importance of infrastructure planning and organization as a previously underestimated but effective tool for reducing emissions. The inclusion of construction and renovation processes in strategic planning transforms infrastructure construction from a background process into an active component of decarbonization. It thus complements existing technical and operational measures with a governance lever. Methodologically, the dissertation contributes to linking the previously separate approaches of carbon footprint analysis and energy system modeling. By standardizing the functional units to one MJ of useful heat and harmonizing the system boundaries with relevant ISO standards, it enables a transparent and comparable evaluation of different technologies and strategy combinations. The combination of qualitative strategy mapping, harmonized carbon footprint analyses, cross-border system modeling, and detailed infrastructure evaluation results in an analytical tool that can be used in scientific research as well as in planning and political decision-making processes. This enables whole-life carbon considerations at the system level. The study concludes that decarbonization of district heating can only be achieved by integrating all levels, from energy generation and network and plant operation to infrastructure construction and institutional coordination. The realization of climate-neutral district heating therefore requires not only clean energy sources, but also coordinated planning of civil engineering processes, conscious material selection, and governance-based control of embodied emissions. This has key implications for policy and practice: whole-life carbon assessments should become mandatory for district heating projects, infrastructure emissions should be integrated into municipal climate budgets, and greenhouse gas emissions should be systematically anchored in tendering and procurement processes. At the same time, municipal coordination platforms are needed to bundle the construction activities of different utilities, thereby reducing emissions, costs, and burdens on urban society. Overall, the dissertation concludes that a successful heat transition cannot be achieved solely by switching to “clean” energy, but rather through a combination of efficient operation, intelligent infrastructure, and institutional cooperation. In this system, tomorrow's infrastructure must be designed as climate capital in order to pave the way for truly climate-neutral heating networksDie Fernwärme spielt eine zentrale Rolle in der europäischen Energiewende. Ihre Dekarbonisierung zählt jedoch zu den komplexesten Herausforderungen der urbanen Transformation. In dieser Dissertation wird ein integriertes Rahmenwerk entwickelt, das Fernwärmesysteme entlang ihrer gesamten Wertschöpfungskette untersucht. Dabei werden betriebliche, bauliche und organisatorische Emissionen in einem konsistenten methodischen Ansatz vereint. Das Ziel besteht darin, die Mechanismen der Emissionsminderung ganzheitlich zu erfassen und zu verstehen, wie technische, infrastrukturelle und planerische Strategien gemeinsam zur Klimaneutralität beitragen können. Ausgangspunkt ist eine systematische Analyse bestehender Dekarbonisierungsstrategien auf Grundlage des „Avoid–Shift–Improve“-Modells. Dieses klassifiziert Maßnahmen nach Vermeidung, Verlagerung und Verbesserung und ergänzt alle relevanten Stufen der Lieferkette: von der Energiequelle und -umwandlung über das Energiemanagement und die Wärmeverteilung bis hin zu nachfrageseitigen und regulatorischen Strategien. Die Methodik umfasst eine harmonisierte Auswertung von über einhundert Studien aus dem Fernwärmebereich, eine vergleichende Modellierung europäischer Fernwärmesysteme sowie eine detaillierte Untersuchung der Emissionen aus Infrastruktur und Bauprozessen. Die Ergebnisse zeigen, dass Emissionen in allen Abschnitten der Versorgungskette entstehen und Eingriffe an einer Stelle sich auf andere Stufen auswirken. Die harmonisierten Treibhausgas-Daten belegen, dass Systeme auf Basis erneuerbarer Energien Intensitäten zwischen -0,001 und 0,091 kg CO₂-Äq. pro MJ erreichen. Fossile Systeme weisen dagegen Werte zwischen 0,04 und 0,31 kg CO₂-Äq. pro MJ auf. Kraft-Wärme-Kopplung senkt die Emissionen im Vergleich zu einfachen Kesselkonfigurationen um 16 bis 70 %. Elektrische Großwärmepumpen mit emissionsarmem Strommix reduzieren die Emissionen im Durchschnitt um etwa 64 %. Die Integration von Wärmespeichern kann die Emissionen in hybriden Systemen um rund 50 % verringern. Damit wird deutlich, dass die Umstellung auf erneuerbare Wärmequellen und systemische Effizienzsteigerungen zwar substanzielle, jedoch keine beliebig steigerbaren Minderungswirkungen entfalten und stets in ihren Wechselwirkungen mit Netzbetrieb, Nachfrage und Infrastruktur betrachtet werden müssen. Die europäische Vergleichsanalyse verdeutlicht zudem, dass die Wirksamkeit von Dekarbonisierungsmaßnahmen stark vom jeweiligen Kontext abhängt. In Ländern mit einem weitgehend dekarbonisierten Strommix wie Schweden erreichen große Wärmepumpen Emissionsintensitäten von unter 0,00003 kg CO₂-Äq. pro MJ und zählen zu den effektivsten Strategien. In Ländern mit fossiler Stromerzeugung wie Polen führen dagegen die Reduktionvon Wärmeverlusten und die Senkung der Wärmenachfrage zu größeren relativen Einsparungen als eine zusätzliche Elektrifizierung der Wärmebereitstellung. Über alle betrachteten Kontexte hinweg zeigt sich, dass eine Erhöhung des Anteils kohlenstoffarmer Wärme um einen Prozentpunkt die Emissionen im Mittel um 0,0008 bis 0,0013 kg CO₂-Äq. pro MJ bereitgestellter Wärme reduziert. Die Ergebnisse der modellbasierten Fallstudien zeigen, dass eine erfolgreiche Dekarbonisierung kontextspezifisch und schrittweise erfolgen muss, statt auf universelle „One-Size-Fits-All“-Lösungen zu setzen. Außerdem wird deutlich, dass politisch häufig bevorzugte Technologien nicht zwangsläufig die höchsten marginalen Minderungsbeiträge liefern. Auf dieser Grundlage identifiziert die Arbeit „Building Infrastructure“ die Dekarbonisierung im Bereich der Wärmeverteilung als zusätzliche Strategie. Eine detaillierte Carbon-Footprint-Analyse des Berliner Fernwärmenetzes zeigt, dass Bau und Instandhaltung der Leitungsinfrastruktur etwa 11 % der gesamten Lieferkettenemissionen verursachen. Dies entspricht rund 340 Millionen kg CO₂ pro Jahr. Etwa 70 % dieser Emissionen entstehen im Tiefbau, insbesondere beim Aushub, beim Transport und beim Betrieb der Baumaschinen. Nur ein kleinerer Anteil entfällt auf die Produktion der Rohre und die Wiederherstellung der Oberflächen. Die Wahl der Materialien erweist sich ebenfalls als wichtiger Hebel: Asphalt verursacht etwa doppelt so viele Emissionen wie Naturstein. Durch eine koordinierte Abstimmung der Bauarbeiten verschiedener Versorgungsunternehmen, eine Bündelung von Eingriffen im Straßenraum und eine optimierte Logistik lassen sich die Gesamtemissionen um rund 13 % senken, was einer jährlichen Einsparung von etwa 43 Millionen kg CO₂ entspricht. Diese Ergebnisse unterstreichen die signifikante Bedeutung infrastruktureller Planung und Organisation als bislang unterschätztes, jedoch äußerst wirkungsvolles Instrument zur Emissionsminderung. Die Einbeziehung von Bau- und Erneuerungsprozessen in die strategische Planung transformiert den Infrastrukturbau von einem Hintergrundprozess zu einem aktiven Bestandteil der Dekarbonisierung. Methodisch leistet die Dissertation einen Beitrag zur Verbindung der bislang getrennten Ansätze der Carbon-Footprint-Analyse und der Energiesystemmodellierung. Durch die Standardisierung der funktionalen Einheiten auf ein MJ Nutzwärme und die Harmonisierung der Systemgrenzen mit einschlägigen ISO-Standards wird eine transparente und vergleichbare Bewertung unterschiedlicher Technologien und Strategiekombinationen ermöglicht. Die Kombination aus qualitativer Strategiekartierung, harmonisierten Carbon-Footprint-Analysen, länderübergreifender Systemmodellierung und detaillierter Infrastruktur- Auswertung führt zu einem Analyseinstrument, das sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in planerischen und politischen Entscheidungsprozessen einsetzbar ist und Whole-Life-Carbon-Betrachtungen auf Systemebene operationalisiert. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass eine Dekarbonisierung der Fernwärme nur durch die Integration aller Ebenen, von der Energieerzeugung über den Netz- und Anlagenbetrieb bis hin zum Infrastrukturbau und zur institutionellen Koordination, erreicht werden kann. Demnach erfordert die Realisierung klimaneutraler Fernwärme nicht nur saubere Energieträger, sondern auch eine koordinierte Planung von Tiefbauprozessen, eine bewusste Materialwahl sowie eine politikbasierte Steuerung der verkörperten Emissionen. Daraus ergeben sich zentrale Implikationen für Politik und Praxis: Whole-Life-Carbon-Bewertungen sollten für Fernwärmeprojekte verpflichtend werden, Infrastrukturemissionen sollten in kommunale Klimabudgets integriert werden, und Treibhausgasemissionen sollten systematisch in Vergabe- und Beschaffungsprozessen verankert werden. Gleichzeitig sind kommunale Koordinationsplattformen erforderlich, die Bauaktivitäten verschiedener Versorger bündeln und damit Emissionen, Kosten und Belastungen für die Stadtgesellschaft reduzieren. Insgesamt kommt die Dissertation zu dem Ergebnis, dass eine erfolgreiche Wärmewende nicht allein durch den Wechsel zu „sauberer” Energie erreicht werden kann, sondern durch das Zusammenspiel aus effizientem Betrieb, intelligenter Infrastruktur und institutioneller Kooperation. In diesem System muss die Infrastruktur von morgen als Klimakapital gestaltet werden, um den Weg zu wirklich klimaneutralen Wärmenetzen zu ebnen